Тензорезистивные ПИП

1.

Тензорезистивные ПИП
l
R R(1 2 k )
l
Материалы и конструкции тензорезистивных ПИП

2.

Константан – обладает высоким удельным сопротивлением
и
температурной стабильностью.
Сплав карма – высокие усталостными характеристики; высокая временная стабильность; широкий диапазон температурной компенсации.
Изоластик – обладает высокой тензочувствительностью и наиболее
высокими усталостными характеристиками, но характеризуется
чувствительностью к температуре.
Нихром V, платиновольфрам, армюр Д - применяют в узкоспециальных приложениях, связанных с высокими температурами, при
которых приобретают существенное значение устойчивости к
окислительным процессам.

3.

От вида материала: проводниковые и полупроводниковые.
Проводниковые от фазового состояния: твердотельные и жидкостные.
Твердотельные – по конструктивному исполнению: проволочные,
фольговые, пленочные.
Проволочные : ненаклеиваемые и наклеиваемые.
Ненаклеиваемые (свободные) тензорезистивного ПИП (рис. а):
обладают простотой и большим диапазоном измерения 12–15 %.
Ненаклеиваемые - менее чувствительны, имеют большие габариты.
Наклеваемые (рис. б) - решетка из проволоки диаметром 0,0–0,04 мм.

4.

Ненаклеиваемые менее чувствительны, имеют большие габариты.
Наклеиваемые: проволока диаметром 0,01–0,04 мм.
Наиболее распространенная конструкция (рис. б)
Фольговые: из металлической фольги толщиной 4–12 мкм
а
б
в
г
Пленочные: изготавливают путем вакуумной возгонки тензочувствительного материала с последующей конденсацией его на подложку
через маску (толщина менее 1 мкм).
Материалы: металлические материалы (например, титаноалюминиевые сплавы), полупроводниковые материалы (Ge, Si)
Достоинства: возможность получения заданную форму.
Некоторые пленочные (на основе висмута, титана, кремния или германия) могут быть в виде одной проводящей полоски, у них нет поперечной тензочувствительности.

5.

Жидкостные (эластичные) - резиновый капилляр с внутренним
диаметром 0,1–0,5 мм, заполненный электролитом или ртутью и
снабженный проволочными выводами.
Эластичные с ртутью имеют К = 2 и позволяют измерять весьма
большие относительные деформации материалов (до 30–60 %).
Особенности: малое номинальное сопротивление, ограниченный
температурный и частотный диапазон, низкое начальное сопротивление (до единиц Ом), большой ТКС.
1- каучуковая трубка диаметром 1 мм; 2 – электролит (1,2 Н водный
раствор CuSO4); 3 – электроды; 4 – зажимы для крепления.
Достоинства: возможность использования больших напряжений
питания (до 500В), можно применять при измерении деформации
деталей, находящихся в воде и других жидких средах, не
разрушающих каучук.

6.

Полупроводниковые: монокристаллические, поликристаллические,
интегральные.
Наклеиваемые и ненаклеиваемые.
Монокристаллические: ЧЭ вырезаны из монокристалла; игольчатые
кристаллы, полученные выращиванием из газовой фазы и др.
Поликристаллические: тензолиты -искусственные смеси, например,
угля (или сажи) и бакелитового лака.
ЧЭ наклеиваемых: полоски толщиной 0,02‒0,05 мм, шириной до
0,5 мм и длиной 2‒12 мм (вырезаются вдоль определенных направлений). Например, из кремния р- типа вырезаются в направлении
<111>, а из кремния n- типа – в направлении <110>.
а
б
в
г
1 – ЧЭ; 2 – контактные площадки; 3 - подложка
а, б – стержневой; в – из игольчатых кристаллов; г – пленочный

7.

Основные характеристики статическая характеристика преобразования, коэффициент тензочувствительности, измерительная база, номинальное (начальное) сопротивление, погрешности.
Статическая характеристика для проводниковых в ограниченном
диапазоне (изменение сопротивления не превышает 2%):
R R0 (1 K l )
Коэффициент тензочувствительности К
R / R R
K
l
l / l
K 1 2 k
Для большинства проводниковых твердотельных - K ≈ 1 + 2 ≈ 2
( ≈0,24-0,4)
Для никеля К = 12
Для жидкостных КЖИД = 2 - ε = 0, = 0,5.
Для полупроводниковых: К ε
Для проволочных Кl/Кb определяется отношением l/b.
Кb = составляет (0,0025–0,01) Кl.

8.

Измерительная база L - длина детали, занимаемая чувствительным
элементом тензорезистивного преобразователя.
У проволочных база (1,0 100)
У фольговых может быть менее 1 мм.
У полупроводниковых – (2 – 12) мм.
Номинальная (измерительная) база l определяется как длина детали,
занимаемая чувствительным элементом тензорезистивного
преобразователя.
Выбирается из ряда: 0,3; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 5,0; 10,0; 15; 20,0; 50,0;
100,0; 200, 0 мм.
На практике могут использоваться тензорезисторы с базами менее
0,3 мм и более 200 мм.
Номинальное (начальное) сопротивление R0 – это сопротивление в
отсутствии деформации.
Для проводниковых номинальное сопротивление из ряда: 50, 100,
200, 400, 800 Ом или из ряда: 60, 120, 350, 700, 1000 Ом.
Значения R0 меньшие чем 50 Ом и большие 1000 Ом устанавливаются
соответствующими ТУ.
R0 полупроводниковых тензорезисторов может достигать десятков
килоом.

9.

Допустимая деформация εl доп ‒ максимальная деформация, при которой отсутствует остаточная деформация и разрушение тензорезистора.
Для большинства тензорезисторов εl доп = (3÷5)∙10-3 мкм/м.
Диапазон зависит от длины базы и достигает единиц процентов.
У ненаклеиваемых (свободных) проволочных и жидкостных может
достигать 15 % и 60 %.
Для полупроводниковых составляет (0,1‒0,2) %.
Основные характеристики некоторых тензорезисторов
Тип тензорезистора
База, мм
КС-120-120-А1-11
КС-60-120-А1-11
КФ5П1-0,5-1О0
КФ5П2-5-400
КФ5Р4-15-200
КМ-10-120
КМ-5-12
120
60
0,5
5
15
10
5
R0, Ом
120
120
100
400
200
120
12
К
2,1
2,1
1,9–2,2
1,9–2,2
2,0–2,3
≈120
≈124
Примечание
Проволочный
Фольговый
Полупроводниковый

10.

Факторы погрешностей: изменение температуры, явление ползучести, нелинейность и гистерезис характеристики преобразования.
При изменении температуры наблюдается так называемая кажущаяся деформация:
R
l K
Д Т t
R T Д К
Термокомпенсированные тензорезисторы, когда материал ЧЭ имеет
значение температурного коэффициентом линейного расширения
близкое к коэффициенту расширения материала детали.
Термокомпенсированные тензорезисторы изготавливаются для
установки на материалы с различными температурными коэффициентами линейного расширения, например выбираемыми из ряда
12.10-6, 17.10-6, 23.10-6, 65.10-6 оС.

11.

Второй способ уменьшения температурной погрешности - самокомпенсирующих тензорезисторов, состоящих из двух частей.
Одна часть обладает положительным температурным коэффициентом
сопротивления, вторая – отрицательным.
Ползучесть - явление изменения сопротивления тензорезистора во
времени при l = const.
Погрешность до (0,05–0,2) %.
Погрешность линейности обусловлена зависимостью коэффициента
тензочувствительности от приложенных механических напряжений.
Погрешность от сотых долей до единиц процентов.
Суммарная погрешность от десятых (0,1–0,2) % до единиц (1–5) %.

12.

Условное обозначение тензорезисторов - буквенно-цифровой код
КФ – константановая фольга, 5 – армированная бумага, пропитанная
клеем, П1 – одиночные прямоугольные; 10 - номинальная база 10 мм;
200 – номинальное сопротивление 200 Ом; А – высокостабильные;
12 – сталь, материал при установке на который тензорезистор
является термокомпенсированным, оС-1;
Проволочные тензорезисторы - буква – П, например обозначение
2ПКП-10-100В: ПК ‒ проволока из константана; 10 – номинальная
база 10 мм; 100 – номинальное сопротивление 100 Ом и т.д.